三峽庫區村鎮水源中典型水華藻種PAC混凝去除效果比較研究

郭子秋，陳 杰，田 夢，趙 彬，安 強

(重慶大學 環境與生態學院，重慶 400045)

三峽庫區村鎮飲用水多以水庫水為水源，其水質質量受到山地氣候和人類活動等復雜因素的影響。庫區水庫中水流流速緩慢，水體溫差小，水體自凈能力低；而且，農業化肥施用量的增加和生活污水的直接排放，導致受納水體中氮、磷含量增加[1]，更是直接影響藻類生長繁殖，誘發水華暴發。歷年的監測結果表明，三峽庫區水華暴發時的優勢藻種種類多樣，以綠藻、硅藻為主要種屬[1-2]。此外，甲藻水華作為常見的淡水水華，近年來在三峽庫區內也屢有報道[3-4]。水華暴發時，大量增加的藻類會引起原水濁度升高，導致水廠濾池濾料堵塞并使濾料泥球化，減少出水量；同時，尺寸較小的藻類會穿透濾池進入清水池和管網，嚴重影響管網水質[5]。因此，尋找庫區水華爆發時的應急除藻、除濁對策是目前亟待解決的關鍵問題。

混凝沉淀法通過投加混凝劑使體積微小的藻細胞脫穩形成較大絮體而從水體中分離去除，具有高效率、低成本的特點，同時，其對藻細胞損傷較小，減少了藻毒素釋放的可能，安全性高[6]。因此，混凝沉淀法是目前應用最為廣泛的除藻、除濁方法之一，可以作為藻類污染的應急控制手段[7]。聚合氯化鋁(PAC)是常用的無機高分子混凝劑之一，在弱堿性條件下極易水解縮合產生一些帶正電荷的高價多核配合物，通過吸附電性中和、吸附架橋和網捕卷掃等作用達到良好的除藻、除濁效果。劉麗娟等[8]使用PAC混凝處理廣東某含藻湖水，發現當PAC投加量為4 mg/L時，除藻率和除濁率便已經能夠分別達到83%和90%；王菲[9]以70 mg/L的PAC投加量處理pH為8的高藻水，也獲得95.3%的除藻率和91.8%的除濁率。

藻類細胞微小，形態各異，其自身性質會影響混凝產生絮體的形態，因此水體中優勢藻種的不同可能會對混凝劑的投加量產生影響。對于不同類別的藻種，采用相同的混凝劑投加量，不僅可能無法獲得理想的處理效果，還可能造成混凝劑的浪費。因此，考察不同藻種適宜的混凝劑投加量及絮體形態特征，對于進一步優化混凝沉淀除藻、除濁效果具有重要意義，但目前相關研究較為缺乏。鑒于此，本研究以三峽庫區典型水華藻種為研究對象，比較各類藻種的形態特征，考察不同PAC投加量下藻類細胞(以葉綠素a表示)和濁度的去除效率，并結合混凝沉淀后絮體結構，探討藻種自身形態和PAC投加量對于葉綠素a和濁度去除效果的影響，篩選出三峽庫區典型水華藻種混凝去除的適宜PAC投加量，為開發高藻季節高效經濟的應急除藻技術提供指導。

1 材料和方法

1.1 實驗藻種篩選及培養

本試驗所選取的三峽庫區典型水華藻種為：小球藻(綠藻)、衣藻(綠藻)、小環藻(硅藻)、針桿藻(硅藻)、光甲藻(甲藻)，藻種(表1)均購自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫。實驗所用培養基的設置參考中國科學院淡水藻種庫。其中，(1)小球藻的培養采用BG11培養基，其成分為：NaNO31.5 g/L，K2HPO40.04 g/L，MgSO4·7H2O 0.075 g/L，CaCl2·2H2O 0.036 g/L，Citric acid 0.006 g/L，Ferric ammonium citrate 0.006 g/L，EDTA-2Na 0.001 g/L，NaCO30.02 g/L，A5(微量元素)1 mL/L；(2)衣藻的培養采用SE培養基，其成分為：NaNO30.25 g/L，K2HPO40.075 g/L，KH2PO40.175 g/L，MgSO4·7H2O 0.075 g/L，CaCl2·2H2O 0.025 g/L，NaCl 0.025 g/L，FeCl3·6H2O 0.005 g/L，EDTA-Fe 1 mL/L，A5(微量元素)1 mL/L，土壤提取液 40 mL/L；(3)小環藻、針桿藻的培養采用CSI培養基，其成分為：Ca(NO3)4·4H2O 0.15 g/L，KNO30.1 g/L，MgSO4·7H2O 0.04 g/L，β-Na2 glycerophosphate·5H2O 0.025 g/L，Vitamin B120.1 μg/L，Biotin 0.1 μg/L，Thiamine HCl 10 μg/L，PIV(微量元素)1mL/L，HEPES 0.5 g/L，Na2SiO3·9H2O 0.1 g/L，土壤提取液 30 mL/L；(4)光甲藻的培養采用119培養基，其成分為：NaNO30.05 g/L，MgSO4·7H2O 0.015 g/L，CaCl2·2H2O 0.01 g/L，KH2PO40.007 g/L，Na2SiO3·9H2O 0.005 g/L，KHCO30.01 g/L，Na2CO30.005 g/L，PIV(微量元素)1 mL/L，EDTA-Fe 1 mL/L，土壤提取液 30 mL/L。各培養基使用前在121 ℃下滅菌30 min。在無菌環境下，將購買的藻液接種至培養基，在光照培養箱中按照溫度25 ℃、照度2 000 Lx、光暗比12 h∶12 h進行密閉培養。當藻種培養至顏色較深時，重復上述方法進行擴大培養至所需的數量。

表1 實驗藻種及所需培養基

1.2 藻種PAC混凝實驗

不同藻種PAC混凝實驗采用六聯混凝試驗攪拌機(ZR4-6，深圳中潤)進行。將擴培后的實驗藻種用自來水進行稀釋，稀釋后的實驗水樣控制葉綠素a濃度為 80～120 μg/L，pH 為8.0～8.5。基于預實驗及文獻報道[8-9]，將 PAC的投加量設置為0、15、35、50、65和80 mg/L等6個梯度。混凝攪拌實驗在文獻的基礎上設計改良[8]，具體操作如下：室溫下，量取600 mL實驗水樣于1 L的攪拌杯中，分別投加不同劑量的PAC后，以800 r/min 的轉速快速攪拌30 s；之后，在絮凝攪拌階段分別以140、125、115、105、100和90 r/min轉速各攪拌4 min，共計24 min；最后，靜置沉淀30 min后，用50 mL的注射器吸取液面5 cm下的上清液進行葉綠素a和剩余濁度分析，并取攪拌杯底部的絮凝體觀察拍照。

1.3 觀測指標及方法

1.3.1 藻種細胞及絮體形態觀測用吸管移取培養得到的藻細胞原液，放置于潔凈的玻片上，于100倍顯微鏡(UPH203i，澳浦)下觀察藻種細胞形態并拍照。當藻液中加入PAC進行混凝攪拌實驗后，收集攪拌杯底部絮體沉淀，同樣放置于潔凈玻片上于100倍顯微鏡(UPH203i，澳浦)下觀察并拍照。

1.3.2 濁度測量每次取上清液水樣體積約30 mL，劇烈振蕩混勻后利用濁度儀(2100Q，哈希)測定，每次測定取兩個平行。

1.3.3 葉綠素a濃度測定用0.45 μm乙酸纖維濾膜抽濾上清液水樣，將過濾后的濾膜用90%的丙酮(3 mL)浸沒并密閉避光放置36 h進行葉綠素的提取；36 h后，將浸出液轉出并用90%丙酮潤洗濾膜兩次后定容至10 mL；以90%丙酮為空白，用1 cm玻璃比色皿在紫外分光光度計(TU-1901，北京普析)上分別測定其在630、645、663 和750 nm波長下的吸光度D630、D645、D663和D750，每次測定取兩個平行。葉綠素a(Chl a)濃度依下述公式進行計算：

Chla(μg/L)=

式中：V1為提取液定容后的體積 (mL)，V為抽濾的水樣體積 (mL)，δ為比色皿光程 (cm)，D為吸光度。

1.4 數據分析

采用Origin 9.0進行數據繪圖，繪圖時采用平均值，以標準差作為誤差。

2 結果與分析

2.1 實驗藻種的選定

根據歷年來三峽庫區水華暴發時的相關研究，庫區水華多爆發于春秋季，以綠藻和硅藻為主[1]。同時，對重慶市云陽縣的兩個水庫的現場采樣分析結果也表明，綠藻和硅藻是兩水庫中優勢最為明顯的門類(圖1)。此外，甲藻水華作為常見的淡水水華，近年來在三峽庫區內也屢有報道[3-4, 10]。因此，本研究所選取的三峽庫區典型水華藻種為：小球藻(綠藻)、衣藻(綠藻)、小環藻(硅藻)、針桿藻(硅藻)和光甲藻(甲藻)。

2.2 實驗藻種的形態特征

在光學顯微鏡下對實驗藻種進行觀察，可見它們形態特征存在明顯差異(圖2)。其中，小球藻和衣藻均為單細胞，呈球形或橢球形。小球藻細胞直徑為5～10 μm；衣藻細胞直徑稍大，約為5～30 μm。光甲藻和針桿藻同樣為單細胞，且相比其他實驗藻種細胞形態較大。具體而言，光甲藻細胞呈球形、卵形或橢圓形，直徑20～40 μm；而針桿藻細胞結構特殊，呈長線形，長約90～300 μm，寬5～6 μm。小環藻細胞呈短圓柱形，相對其他實驗藻種其大小適中，直徑為10～30 μm。顯然，不同的藻種形態各異，大小差別較大。在混凝除藻理論中，藻類被近似看作膠體顆粒，而不同藻種各異的形態特征很可能會影響絮體形態進而影響混凝沉淀的效果[11]。

2.3 PAC投加量對不同藻種葉綠素a和濁度去除效果的影響

2.3.1 小球藻從圖3，A可知，小球藻的葉綠素a和濁度去除率在不投加PAC時(投加量為0 mg/L)均較低，分別為12.8%和7.2%；當PAC投加量為15 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率分別大幅上升到91.7% 和91.3%，此時小球藻所形成的絮體大而密實，沉降性好(圖3，B)；之后，在35 mg/L和50 mg/L的投加量下，兩者的去除率也基本穩定在90%左右，以50 mg/L的投加量下的情況為例，此時絮體略微減小，但數量眾多，絮體狀態也相對較好(圖3，C)；但進一步增加PAC投加量，小球藻葉綠素a和濁度去除率均出現下降趨勢，在PAC投加量為80 mg/L時分別降至84.6% 和71.3%，此時小球藻大塊絮體消失，轉變為較小較分散的絮體(圖3，D)。上述結果表明，PAC投加量在15～50 mg/L內均對小球藻有良好的混凝去除效果，結合經濟因素考慮，PAC混凝去除小球藻的最適投加量為15 mg/L。

2.3.2 衣藻衣藻葉綠素a和濁度去除率隨PAC投加量的變化趨勢與小球藻較為類似(圖4，A)。當PAC投加量為0 mg/L時，衣藻的葉綠素a去除率和濁度去除率分別僅有9.2%和10.4%。加入15 mg/L 的PAC后，可以觀察到明顯的絮體形成，沉降性較佳(圖4，B)，葉綠素a和濁度去除率分別大幅上升至89.9%和75.6%。葉綠素a和濁度去除率在PAC投加量為65 mg/L時達到最大值，二者分別為95.4%和85.5%，此時，衣藻絮體沉降性最好，有明顯的大塊絮體形成(圖4，C)；但當PAC投加量為80 mg/L時，衣藻葉綠素a和濁度去除率分別下降至81.7%和78.9%，絮體形態的變化也十分明顯，表現為大絮塊消失，絮體變得分散(圖4，D)。可見，PAC投加量在15～65 mg/L內均對衣藻有較好的混凝去除效果，但衣藻絮體相比小球藻偏小，綜合考慮認為PAC混凝去除衣藻的最適投加量為65 mg/L。

2.3.3 小環藻圖5，A顯示，不添加PAC時(0 mg/L)，小環藻葉綠素a和濁度去除率分別為12.0%和1.7%。當PAC投加量為15 mg/L時，小環藻葉綠素a去除率僅有22.3%，相比不添加PAC時提升較小；而此時的濁度去除率甚至出現負值，表明PAC幾乎沒有起到混凝除藻作用，此時也幾乎沒有絮體生成，僅有零星分布(圖5，B)。之后，隨著PAC投加量的增加，小環藻葉綠素a和濁度去除率也隨之上升，當PAC投加量達到35 mg/L時，開始有絮體形成，但絮體較少且較為分散，(圖5，C)葉綠素a和濁度去除率分別為44.2%和22.8%，也相對較低。當PAC投加量達到50 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率能夠分別達到82.0%和85.2%，開始表現出明顯的除藻效果。當PAC投加量達到65 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率達到最大值，分別為93.4%和91.9%，此時，可以觀察到較多的密實絮體形成(圖5，D)。此后，PAC投加量的增加不再產生明顯影響，除藻效果基本穩定。但值得注意的是，即使在小環藻達到最佳去除效果時，小環藻形成的絮體相比其他藻種也偏小偏少。由上述結果可知，PAC投加量較低(0～35 mg/L)時，PAC混凝去除小環藻的效果較差；投加量達到50 mg/L才有明顯的混凝除藻效果；而當PAC投加量在65～80 mg/L時，小環藻的混凝去除效果基本穩定。因此，PAC混凝去除小環藻的最適投加量為65 mg/L。

2.3.4 針桿藻從圖6，A可以看出，當不投加PAC(0 mg/L)時，針桿藻葉綠素a和濁度去除率已經能夠分別達到74.8%和47.1%，表明針桿藻自身具有優越的沉降性能，易于從水中分離去除。PAC投加量在15 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率為80%左右，此時已經能觀察到較為明顯的針桿藻絮體，但數量較少(圖6，B)。隨后，在PAC投加量為35～80 mg/L時，針桿藻葉綠素a和濁度去除效果逐漸上升，絮體也逐漸變得更多更密集。當投加量為35 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率分別為88.0%和87.1%，絮體相比PAC投加量為15 mg/L時明顯增多(圖6，C)；而當PAC投加量為65 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率分別為92.6%和92.7%，此時絮體基本布滿視野，層疊密實(圖6，D)；PAC投加量增加到80 mg/L時，葉綠素a和濁度去除率也繼續保持在90%以上，絮體狀態與PAC投加量為65 mg/L時類似。上述結果表明，PAC投加量在15～80 mg/L內對針桿藻均有較好的混凝去除效果，綜合考慮認為PAC混凝去除針桿藻的最適投加量為65 mg/L。

Ⅰ.小球藻；Ⅱ.衣藻；Ⅲ.小環藻；Ⅳ.針桿藻；Ⅴ.光甲藻圖2 顯微鏡下實驗藻種形態特征(100×)Ⅰ. Chlorella； Ⅱ. Chlamydomonas； Ⅲ. Cyclotella； Ⅳ. Synedra； Ⅴ. GlenodiniumFig.2 Morphological characteristics of experimental algae under microscope(100×)

圖3 不同PAC投加量下小球藻葉綠素a和濁度的去除率(A)及絮體狀態(B-D)Fig.3 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology (B-D) of Chlorella with different PAC dosages

圖4 不同PAC投加量下衣藻葉綠素a和濁度的去除率(A)及絮體狀態(B-D)Fig.4 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology (B-D) of Chlamydomonas with different PAC dosages

2.3.5 光甲藻與針桿藻類表現類似，當不投加PAC時，光甲藻已表現出較高的葉綠素a和濁度去除率，分別達到74.5%和56.0%(圖7，A)，表明光甲藻自身具有良好的沉降性能。當PAC投加量為15 mg/L時，其葉綠素a和濁度的去除率最高，分別可達93.5%和97.4%，此時光甲藻絮體較大且數量較多(圖7，B)，反映出良好的沉降去除效果。之后，各投加量處理的葉綠素a和濁度的去除率基本穩定在90%以上。值得注意的是，PAC投加量超過15 mg/L之后，光甲藻絮體逐漸變小。具體來說，當PAC投加量為50 mg/L時，光甲藻絮體明顯變小，但數量仍然較多(圖7，C)。當PAC投加量為80 mg/L時，絮體進一步變小(圖7，D)。但總的來說，相比其他藻種，光甲藻藻液中投加PAC后始終有大量絮體形成。因此，與針桿藻類似，PAC投加量在15～80 mg/L內對于光甲藻均有較好的混凝去除效果，但由于光甲藻絮體隨著PAC投加量的增加出現了減小的情況，PAC的投加量不宜過大，最適投加量為15 mg/L。

圖5 不同PAC投加量下小環藻葉綠素a和濁度的去除率(A)及絮體狀態(B-D)Fig.5 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Cyclotella with different PAC dosages

圖6 不同PAC投加量下針桿藻葉綠素a和濁度的去除率(A)及絮體狀態(B-D)Fig.6 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Synedra with different PAC dosages

圖7 不同PAC投加量下光甲藻葉綠素a和濁度的去除率(A)及絮體狀態(B-D)Fig.7 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Glenodinium with different PAC dosages

3 討 論

Rita Henderson等[12]的研究表明藻種形態影響水體中藻類的去除。本研究結果也表明，不同藻種混凝去除效果以及所需的PAC投加量有所不同，這可能與不同藻種自身形態特征有關。

首先，從整體表現來看，光甲藻和針桿藻在PAC投加量為15～80 mg/L的范圍內均能取得良好的混凝去除效果，適宜范圍相對較廣。對光甲藻來說，在PAC投加量為15～80 mg/L時，其葉綠素a和濁度去除率均能保持在90%以上，這可能得益于光甲藻較大的細胞直徑(20～40 μm)及其呈球形、卵形或橢圓形的細胞形態。較大的細胞直徑使得光甲藻具有更好的沉降性，其近球形的細胞形態也利于藻細胞的聚集。因此采用PAC混凝去除效果較好，相應產生的絮體也更大更多，結構也更為密實。而對于針桿藻，其葉綠素a和濁度去除率在PAC投加量為15～50 mg/L時均能保持在80%以上，在投加量為65～80 mg/L時則達到90%以上，這可能同樣與針桿藻細胞偏大(長約90～300 μm，寬5～6 μm)有關。與此同時，特殊的長線型結構，也使得針桿藻可能具有更多能與混凝劑結合的位點，利于絮體的形成，且下沉過程中也能帶動更多的藻細胞共沉淀，從而形成密實利于沉淀的絮體，表現出良好的PAC混凝去除效果。

但值得注意的是，光甲藻的葉綠素a和濁度去除效率在PAC投加量為15 mg/L時達到最大，此時絮體也最大最密集。隨后，即使PAC投加量繼續增加，光甲藻的去除效果也無法繼續提升，而是保持穩定，但絮體卻逐漸變小，這表明PAC過量添加會對光甲藻的混凝沉降產生不利影響。這可能是由于PAC投加量過大時，會導致藻細胞與PAC間產生不利的靜電排斥，隨著絮體逐漸變小，藻細胞與混凝劑之間的吸附架橋作用減弱，出現“再穩”現象[13]。因此，PAC混凝去除光甲藻的濃度不應過高，結合絮體形態和去除率結果綜合考慮以15 mg/L為宜。相反，針桿藻隨著PAC投加量的增加，葉綠素a和濁度去除率不斷上升，絮體也逐漸變得更多更密實，表明同樣是自身沉降性良好的藻種，針桿藻相比光甲藻可能具有更廣泛的適宜PAC投加量范圍。而且，針桿藻最適PAC投加量為65 mg/L，這可能是因為其特殊的線型結構，需要更多的PAC來形成更多的結合位點，促進絮體的形成。

其次，衣藻和小球藻采用PAC混凝也能取得較好的去除效果。小球藻和衣藻的適宜PAC投加范圍分別為15～50 mg/L和15～65 mg/L。在適宜PAC投加量范圍內，小球藻的葉綠素a和濁度去除率均在90%以上，衣藻的葉綠素a和濁度去除率也基本都在80%以上。衣藻和小球藻生成的絮體相比光甲藻和針桿藻較小，但總的來說也較為明顯密集，這可能是由于小球藻和衣藻的細胞大小在所選實驗藻種中屬于中等偏小的范圍(二者的細胞直徑分別為5～10 μm和5～30 μm)，也不具有類似針桿藻的特殊長線型結構，從而絮體大小和數量不足以和針桿藻與光甲藻相比。但同時，正是由于小球藻和衣藻較小的細胞尺寸和球形或橢球形的形態，使二者更接近于膠體，因而同樣具有較好的混凝去除效果。此外，有研究表明，在弱堿性條件下，小球藻會分泌胞外聚合物而產生凝聚和下沉現象，故容易去除[14-15]。值得注意的是，當投加量超出一定范圍時，小球藻和衣藻的去除效果均表現出下降現象，這可能是PAC投加量過高時產生了“膠體保護”作用，使脫穩膠粒電荷變號或使膠粒被包卷而重新穩定。對于小球藻、衣藻這類體積偏小的藻種，它們的混凝去除效果受混凝劑投加量的影響會更加明顯，因此采用適宜的投加量顯得更為重要，投加量過高不僅造成藥品浪費，更會導致處理效果變差。兩種藻種不同的是，小球藻在PAC投加量為15 mg/L時即可達到最佳去除效果，葉綠素a和濁度去除率維持在91%左右，絮體狀態最佳；而衣藻的最佳去除效果出現在PAC投加量為65 mg/L時，最高濁度去除率為83%左右，低于小球藻。說明相比較而言，小球藻的混凝去除效果強于衣藻，這可能與小球藻更小的形態和其分泌胞外聚合物的能力有關。

另外，小環藻相對來說不易取得良好的混凝去除效果。從細胞大小上來說，小環藻直徑約10～30 μm，大于小球藻和衣藻，而其短圓柱形的形態也相對不容易聚集。只有當PAC投加量達到50 mg/L之上時，小環藻的葉綠素a和濁度去除率才能達到80%以上，較小球藻和衣藻差。相應地，小環藻也難以產生大量絮體，即使當PAC投加量為65 mg/L，達到小環藻最佳葉綠素a和濁度去除率93.4%和92.0%時，小環藻絮體的數量和密集程度也遠低于其他幾種實驗藻種。造成這一結果的原因，可能也與小環藻細胞的形態有關。小環藻屬主要為浮游種類，其短圓柱形的形態利于懸浮于水面，故其難以沉降分離，添加混凝劑也難以去除。因此，小環藻要在PAC投加量為50～80 mg/L時，去除效果較好。

綜上所述，PAC混凝沉淀法可用于三峽庫區村鎮水源水華暴發時的應急除藻、除濁。光甲藻和針桿藻PAC混凝去除效果最好，小球藻和衣藻次之，小環藻相對來說不易取得良好的混凝去除效果。現有研究結果表明，當水華優勢藻種為小球藻時，適宜的PAC投加范圍為15～50 mg/L，最適投加量為15 mg/L；當水華優勢藻種為衣藻時，適宜的PAC投加范圍為15～65 mg/L，最適投加量為65 mg/L；當水華優勢藻種為小環藻時，適宜的PAC投加量范圍為50～80 mg/L，最適投加量為65 mg/L；當水華優勢藻種為針桿藻或光甲藻時，適宜的PAC投加量范圍為15～80 mg/L，最適投加量分別為65 mg/L和15 mg/L。針桿藻和光甲藻容易形成大而密實的絮體，小球藻和衣藻形成的絮體相對較小，小環藻絮體形成能力最弱，這與藻種細胞的形態特征密切相關。然而，目前研究所用藻種為實驗室配制的單一藻種，還需要進一步對混合藻種去除時PAC投加量進行研究。而且，實際水體中的狀況往往更加復雜，在應用于實際之前，還需要采用三峽庫區水華暴發時的實際水樣進行實驗，對本研究的實驗結果進行進一步驗證和改善，以確定本研究應用于實際三峽庫區高藻季節水華暴發時應急處理的可行性。